Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Irrtum aufgeklärt: Antriebsgelenk der Stabheuschrecke entdeckt

16.02.2016

Forschende der Universität Bielefeld analysieren Bewegung des sechsbeinigen Insekts

Die Stabheuschrecke ist in der Biologie ein beliebtes Untersuchungsmodell, um Laufbewegungen bei Insekten zu verstehen. Ihr Vorteil: Körper und Nervensystem sind vergleichsweise einfach aufgebaut. In Lehrbüchern wurde über Jahrzehnte behauptet, dass die Kraft zur Stützung des Körpers und die Kraft zur Fortbewegung unabhängig voneinander von verschiedenen Gelenken geregelt werden.


Chris Dallmann arbeitet mit Stabheuschrecken. Sie sind bis zu acht Zentimeter lang. Anders als Heuschrecken können sie nicht springen, sondern nur gehen und klettern. Sie ähneln kleinen Äs

Foto: CITEC/Universität Bielefeld


Welche Kräfte üben die Beine einer Stabheuschrecke aus, und wie bewegt sich das Tier? Das messen CITEC-Forscher mit seitlichen Trittsteinen (weiß) und reflektierenden Markern.

Foto: CITEC/Universität Bielefeld

„Das ist nicht richtig“, sagt jetzt der Biologe Chris Dallmann. „Tatsächlich ist ein und dasselbe Gelenk für beide Aufgaben zuständig. Das können wir mit unseren neuen Analysen belegen“, sagt der Doktorand des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld. Die Forschungsergebnisse stellt Dallmann zusammen mit den Professoren Dr. Volker Dürr und Dr. Josef Schmitz im Fachmagazin „Proceedings of the Royal Society“ vor. Die New York Times präsentiert das Forschungsergebnis seit gestern (15.2.2016) in einem Videobeitrag.

„Wir wollen herausfinden, wie sich Stabheuschrecken fortbewegen und welche Aufgabe die einzelnen Teile der Beine dabei haben“, erklärt Professor Dr. Josef Schmitz. Professor Dr. Volker Dürr und er betreuen die Doktorarbeit von Chris Dallmann.

„Erstaunlicherweise kommt die Kraft zur Vorwärtsbewegung und Körperunterstützung aus dem gleichen Gelenk. Dieses Gelenk dient als Antriebseinheit und erzeugt die größte Kraft im Bein. Die anderen Beingelenke dienen gewissermaßen als Steuereinheiten, welche die Antriebskraft so umlenken, dass sich das Tier sowohl über dem Boden halten als auch vorwärts bewegen kann“, sagt Dallmann. „Ein ähnliches Prinzip gilt beispielsweise beim Insektenflug. Dort stellen große Antriebsmuskeln die Kraft bereit, die dann von kleineren Steuermuskeln in Auftrieb und Vortrieb umgeleitet werden. In der Evolution hat sich offenbar diese prinzipielle Funktionsaufteilung bewährt.“

Noch vor kurzem waren sich Biologen weltweit sicher, dass die Kraft für die Vorwärtsbewegung der Stabheuschrecke aus dem Gelenk kommt, um das sich das Bein rückwärts bewegt. „Der Grund für die falsche Annahme war, dass die Messmethoden zu ungenau waren“, berichtet Josef Schmitz. „Stabheuschrecken wiegen nur etwa ein Gramm. Wegen des geringen Gewichts ließ sich bisher nur sehr schlecht berechnen, welche Kraft die einzelnen Beinglieder ausüben.“

Dallmann arbeitet in der Forschungsgruppe Biologische Kybernetik der Fakultät für Biologie, die von Volker Dürr geleitet wird und am Exzellenzcluster CITEC beteiligt ist. Dallmann wirkt auch an der Weiterentwicklung des Laufroboters Hector mit, für den sich die Forscherinnen und Forscher von den Bewegungen der Stabheuschrecke inspirieren lassen.

Die Forschungsgruppe Biologische Kybernetik hat ein neues Verfahren entwickelt, das mit dem Leichtgewicht der Stabheuschrecke zurechtkommt. Es misst zum einen sehr präzise die Kräfte, die das ganze Bein auf den Boden ausübt. Zum anderen misst es mit hoher zeitlicher Auflösung, wie sich das Bein im Raum bewegt. „Indem ich diese beiden Datenpakete kombiniere, kann ich berechnen, wie viel Kraft jedes einzelne Gelenk freisetzt“, erklärt Dallmann. So kann er zeigen, welches Gelenk die Bewegung antreibt und welche Gelenke die Antriebskraft lediglich umleiten.

Jedes der sechs Beine der Stabheuschrecke wird maßgeblich von drei Gelenken bewegt. Wie ein „L“ sind sie mit dem Körper des Tieres verbunden. Ein Hüftgelenk (Thorax-Coxa-Gelenk) verbindet das Bein mit dem Körper, und um dieses Gelenk bewegt sich das Bein rückwärts. Ein zweites Hüftgelenk (Coxa-Trochanter-Gelenk) verbindet die Hüfte mit dem Oberschenkel, um dieses Gelenk bewegt sich das Bein nach unten. Ein Kniegelenk (Femur-Tibia-Gelenk) verbindet schließlich den Oberschenkel mit dem Unterschenkel, um dieses Gelenk bewegt sich das Bein nach außen.

Um herauszubekommen, wie viel Kraft die einzelnen Beingelenke der Stabheuschrecke erzeugen, ließ Dallmann die Tiere auf einem Steg mit Trittsteinen laufen. Sensoren in den Trittsteinen erfassen den Druck und die Querkräfte, die von den Füßen der Stabheuschrecke ausgehen. Gleichzeitig zeichnete Dallmann den Gang des Insekts mit einem System zur Bewegungserfassung auf. Das Vicon-System registriert mit Infrarotkameras die Bewegung von 17 kleinen Reflektoren (Markern), die an dem Außenskelett der Stabheuschrecke kleben.

„Als wir die Messung der Bewegung und der Bodenreaktionskräfte zusammengebracht haben, wurde klar, dass der Vortrieb gar nicht durch das Hüftgelenk erfolgt, um das sich das Bein nach hinten bewegt“, so Dallmann. „Vielmehr entsteht der Vortrieb automatisch dadurch, dass der Oberschenkel stark nach unten drückt, um den Körper zu stützen.“ Forscher dachten bislang, das Herunterdrücken des Schenkels diene alleine der Körperunterstützung.

Die neuen Erkenntnisse dürften nicht nur Änderungen in den Lehrbüchern mit sich bringen. Das Wissen soll auch mit der künstlichen Stabheuschrecke Hector erprobt werden. „Der Roboter ist ähnlich der Stabheuschrecke mit elastischen Antrieben ausgestattet“, sagt Chris Dallmann. „Wir wollen jetzt testen, welche Vorteile es hat, wenn ein Antrieb wie beim tierischen Vorbild sowohl die Körperhöhe als auch die Fortbewegung regelt.“

Chris Dallmann befasst sich in seiner Doktorarbeit mit der Frage, wie Stabheuschrecken ihr Gehen an die Umgebung anpassen. Er ist seit Ende 2013 Mitglied der CITEC-Graduiertenschule. Die Einrichtung ist 2008 gegründet worden und sorgt für die weiterführende wissenschaftliche Qualifikation in der Kognitiven Interaktionstechnologie an der Universität Bielefeld. Derzeit hat die Graduiertenschule rund 100 Mitglieder.

Originalartikel:
Chris Dallmann, Volker Dürr, Josef Schmitz: Joint torques in a freely walking insect reveal distinct functions of leg joints in propulsion and posture control. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 283 (1823). 20 January 2016.DOI: 10.1098/rspb.2015.1708, erschienen am 20. Januar 2016.

Kontakt:
Chris Dallmann, Universität Bielefeld
Fakultät für Biologie
Telefon: 0521 106-5530
E-Mail: cdallmann@uni-bielefeld.de

Weitere Informationen:

http://www.nytimes.com/2016/02/15/science/stick-insect-helps-scientists-study-ho... Videobeitrag der New York Times
http://youtu.be/1DB6bd61i0o Video zu Hector bei research_tv („Eine Roboter-Stabheuschrecke lernt laufen“)
http://www.uni-bielefeld.de/biologie/Kybernetik Forschungsgruppe „Biologische Kybernetik“

Sandra Sieraad | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Biologischer Lichtsensor in Aktion gefilmt
15.06.2018 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Belohnung fürs Gehirn
15.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics